不同纤维及掺量对硅酸盐水泥胶砂强度的影响规律

陈晓峰， 颜 宏， 何晓宇， 谢 飞， 沈才华， 钱 晋

（1.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310012； 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024）

纤维混凝土作为一种有效增加混凝土强度、韧性的新型材料，逐渐被广泛运用［1-6］. 目前纤维水泥基复合材料的的最新研究包括：聚合物水泥砂浆加固隧道衬砌［7］，硅灰增强混杂纤维水泥基灌浆料［8］，纤维编织网增强水泥基材料加固砌体［9］，聚酯纤维改性复合水泥基——水玻璃注浆材料［10］，硅粉和乳胶对纤维素纤维水泥基复合材料老化性能的影响［11］，混合秸秆纤维-水泥复合材料等等. 刘辉等（2014年）［12］研究了四类聚合物纤维（超高分子量聚乙烯（UPE）纤维、聚丙烯（PP）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维），对水泥砂浆流动性及抗弯力学性能的影响规律. 郑逢时等（2014年）［13］研究了硅烷偶联剂KH570、聚乙烯醇和羟丙基纤维素三种表面活性剂对超高分子量聚乙烯UPE 纤维分散性及其砂浆力学性能的影响规律. 王庆（2019年）［14］梳理了近年来国内不同材质纤维混杂改性UHPC 的研究成果，分析并总结其他材质的纤维（钢纤维除外），如聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维或玄武岩纤维，对混凝土力学性能的影响规律. 赵晗等（2020年）［15］采用低温水热法在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维表面成功制备了致密均匀的ZnO纳米棒阵列，利用纳米棒阵列与树脂形成啮合结构，有效增强了纤维和树脂之间的界面结合强度. 王太位等（2020 年）［16］通过试验分析了再生聚酯纤维、再生聚乙烯纤维及再生轮胎纤维对沥青混凝土抗疲劳变形、水稳定性等性能的影响规律. Yan Zhang 等（2019年）［17］利用不可逆塑性疲劳能的概念，对纤维砂浆的重复干湿循环性能进行了量化，重点研究了干湿循环条件下聚合物纤维砂浆试件的强度和应变. 在多尺度掺和料方面，魏华等（2020年）［18］研究了纳米SiO2、纳米CaCO3掺量与石英砂粒径对于PVA水泥基复合材料性能的影响，张勤等（2020年）试验分析了微米级碳酸钙晶须对于短切耐碱玻璃纤维水泥基材料抗折和劈拉强度的影响，刘小艳等（2020年）［19］研究表明碳纤维水泥基复合材料的热电性能受到碲化铋掺入方式的影响.

可见，纤维在复合材料中起着延缓微裂缝扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用，并阻止水分和有害介质的进入，因而使复合材料的抗拉强度、变形能力、断裂能力和耐久性能得以显著提高. 目前增强水泥基复合材料主要的纤维有金属纤维（如钢纤维）、无机纤维（如水镁石等天然矿物纤维和抗碱玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅系列纤维等人造矿物纤维）、有机纤维（聚乙烯纤维，聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、聚酯纤维等合成纤维和天然植物纤维等）这三大类，有机纤维轻质、耐腐蚀、便宜，逐渐成为工程应用研究热点.

由于纤维的增强机理影响因素众多，纤维混凝土的设计理论还不是很成熟，不同纤维与混凝土协同作用效果很难通过理论进行预测，但这又是实际工程应用的依据，因此进行试验研究，分析其规律，既可探究纤维加筋机理，也可给实际工程应用作指导. 为了避免骨料的不均匀性对试验结果的影响，文章采用胶砂混凝土进行不同纤维掺入量的力学性质试验研究，探究不同纤维类型，不同纤维长度，纤维体积掺量对硅酸盐水泥胶砂的力学性能的影响规律，为纤维加筋混凝土的优化设计做参考.

1 试样制作及力学试验方案

1.1 试验的制作

水泥为中国水泥厂有限公司生产的“海螺牌”P.O42.5普通硅酸盐水泥，具体参数如表1所示.

表1 “海螺牌”P.O42.5水泥成分信息表Tab.1 The information of P.O42.5 cement composition

胶砂试样所用的骨料为标准砂，标准砂为中国艾思欧标准砂有限公司生产，其颗粒分布在表2 规定范围内.

表2 艾思欧标准砂颗粒分布信息表Tab.2 The imformation of ISO standard sand particle distribution

不同纤维的外观见图1. 其中聚乙烯醇PVA纤维为常州天怡工程纤维公司生产. 具体参数如表3所示.

聚丙烯PP纤维为常州天怡工程纤维公司生产，具体参数如表4所示.

超高分子量聚乙烯UPE为湖南中泰特种装备有限责任公司生产，具体参数如表5所示.

表3 PVA纤维力学参数性能信息表Tab.3 PVA fiber performance parameters

表4 PP纤维力学性能信息表Tab.4 PP fiber performance parameters

表5 UPE纤维力学性能信息表Tab.5 UPE fiber performance parameters

图1 不同纤维的外观图片Fig.1 The appearance of different fibers

水为南京地区自来水.

减水剂为HPWR高性能减水剂，减水率26%，泌水率45%，含气量2.5%.

1.2 试验方案

根据《GB/T 17671—1999水泥胶砂强度检验方法》规定，称取质量450 g硅酸盐水泥，1350 g标准砂，225 g水，以及相应体积分数的纤维的质量，用量刚好为一锅胶砂三块棱柱体试块. 聚乙烯醇纤维PVA、超高分子量聚乙烯纤维UPE、聚丙烯纤维PP，三种纤维的体积掺入量分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.4%，长度分别为6、12、18 mm，分别进行抗压强度、抗折强度变化规律的试验研究，并分析抗折比的变化规律. 抗压抗折试验一体机采用江苏卓恒测控技术有限公司生产的HG-YH300BD 微机电液伺服压力试验机（图2），提供最大试压压力300 kN，最大抗折试验力20 kN.

图2 HG-YH300BD微机电液伺服压力试验机Fig.2 Compression-testing machine HG-YH300BD

图3 水泥行星式搅拌机Fig.3 Cement mixer

采用水泥行星式搅拌机（见图3）进行搅拌制样，制样步骤如下：①将称量好的纤维均匀分散在水中；②锅中加水、水泥低速搅拌30 s 后，均匀地将砂子一次性加入，调至高速档位再拌30 s；③静置90 s，用胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂，刮入锅中，再继续高速搅拌60 s；④将搅拌好的全部胶砂用刮具均匀地填装在模具中，开动振动台，振动2 min，表明处理后将制样放入23 ℃恒温95%恒湿的养护箱中养护28 d.

2 不同纤维不同掺入量时胶砂混凝土抗压抗折试验破坏模式分析

从图4，图6，图8中看出：折断后的胶砂试块主裂纹从底部断面延伸的长度和宽度均随着纤维掺量增加而减小. 将折断后的胶砂试块掰成两块依据《GB/T 17671—1999水泥胶砂强度检验方法》相关规定进行抗压试验.

从图5，图7，图9中看出：胶砂试块抗压失效后裂纹数量随着纤维增加而减少，高纤维掺量的试块破坏后完整性好，几乎不出现碎块和剥落. 从掺加纤维的类型分析，添加UPE 纤维胶砂试块的完整度明显大于PP纤维和PVA纤维，因此添加UPE纤维较其他两种纤维更能有利于抑制硅酸盐水泥产生裂纹.

图4 PP纤维胶砂折后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.4 The fracture failure of PP fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

图5 PP纤维胶砂压后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.5 The compression failure of PP fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

图6 PVA纤维胶砂折后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.6 The fracture failure of PVA fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

图7 PVA纤维胶砂压后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.7 The compression failure of PVA fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

图8 UPE纤维胶砂折后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.8 The fracture failure of UPE fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

图9 UPE纤维胶砂压后裂纹图（左至右纤维长度分别为6，12，18 mm）Fig.9 The compression failure of UPE fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

3 不同纤维不同掺入量时胶砂混凝土强度变化规律分析

3.1 PP纤维对胶砂混凝土的加筋效果分析

图10、图11显示：掺加PP纤维的含量和长度对水泥胶砂试件的抗折以及抗压强度有很大的影响.

图10 PP纤维胶砂抗折强度Fig.10 Flexural strengths of added with PP fibres

图11 PP纤维胶砂抗压强度Fig.11 Compression strengths of added with PP fibres

纤维掺量对抗折强度的影响：针对6 mmPP纤维，水泥胶砂的抗折强度随着PP纤维掺量增加先减小后增大，0.2%掺入量时减小至最低为6.5 MPa，0.4%掺入量的抗折强度最高为7.5 MPa. 针对12 mmPP纤维，随着纤维掺量增加其抗折强度线性降低，0.05%掺量的抗折强度最高为7.8 MPa. 针对18 mmPP 纤维，随着纤维掺量增加抗折强度先增长后降低，0.1%纤维掺量抗折强度最高为7.7 MPa.

总体看，PP纤维掺入量增加会降低抗折强度，结合抗折破坏模式看，底部裂纹为单裂纹破坏，由于纤维总掺入量有限，局部的阻裂效果不明显，但在断裂断面上由于纤维的掺入会产生交界面的缺陷等，导致整体的抗折强度降低. 纤维增长后，断裂面的纤维锚固长度相对增加，因此普遍的抗折强度有所提升，但随着掺入量增加，相对长的纤维产生的界面缺陷会增加，因此衰减快. 从试验结果看，6 mm的纤维大于0.4%掺入量时，虽然断裂面上纤维的锚固长度短，但由于数量增加，反而出现抗折强度增加的现象. 说明纤维掺入量和长度对断裂面上的抗拉强度影响是综合的，体积含量相同时，应通过具体试验确定抗折强度的最佳纤维长度.

纤维掺量对抗压强度的影响：由于试验养护等原因，0.2%含量的6 mm和12 mm纤维试样抗压强度有些异常. 去掉这个异常情况，当含量为0.05%时，抗压强度随纤维长度增加而增加，结合破坏模式看，纤维长时抗压破坏的裂纹分布较多，主要是纤维锚固长度长对应力起到了分散的效果，纤维含量增加后，12 mm纤维的试样强度始终最低，分析认为，抗压强度还是以抗裂能力体现为主，短纤维锚固长度短锚固力小，但数量多，总体加强效果较好；长纤维数量少，但锚固力大，整体加强效果最好. 从试验结果看PP 纤维12 mm长度的抗压强度增强效果最差.

纤维掺量对折压比的影响：去掉6 mm 纤维和12 mm纤维0.2%掺入量的试样结果，掺入6 mm纤维的试样折压比随掺量的增加而增加；掺入12 mm纤维的试样折压比随含量增加逐渐减小，但减小量不大；掺入18 mm纤维的试样折压比随纤维含量的增加先增大后减小（如图12所示）.

总体分析：纤维长度和掺入量对胶砂混凝土加强作用比较复杂，但在纤维总掺量不是很大时，纤维的桥接作用起主导，裂纹开裂面上的纤维锚固强度和纤维数量在纤维体积含量一定时，存在某种相关性，可以采用试验确定某种强度目标下的最佳配比. 本试验结果显示，从折压比效果看，掺入12 mm纤维的试样最佳，但分别结合抗折强度和抗压强度的分布看，是由于掺入12 mm纤维的抗压强度普遍较低造成的，因此选择纤维的配比应根据实际构件的受力状态确定比较合理.

图12 PP纤维水泥胶砂折压比Fig.12 The folding ratios of added with PP fibres

3.2 PVA纤维对胶砂混凝土的加筋效果分析

图13、图14显示了掺加PVA纤维的含量和长度对水泥胶砂试件的抗折、抗压强度的影响规律.

图13 PVA纤维胶砂抗折强度Fig.13 Flexural strengths of added with PVA fibres

图14 PVA纤维胶砂抗压强度Fig.14 Compression strengths of added with PVA fibres

纤维掺量对抗折强度的影响：针对掺入6 mmPVA 纤维的水泥胶砂试样，其抗折强度随着PVA 纤维掺量增加先增加后减小，0.1%和0.2%抗折强度较高，为8.5 MPa 左右，而在0.4%时降低至6.1 MPa. 针对掺入12 mmPVA纤维的水泥胶砂试样，掺量小于0.1%含量时的抗折强度较高为8.1 MPa，0.2%和0.4%掺入量时试样的抗折强度在7.3 MPa左右. 针对掺入18 mmPVA纤维的水泥胶砂试样，抗折强度随着纤维掺量增加出现先降低后略微增长的现象，最高抗折强度为掺量0.05%的8.9 MPa.

总体看，与PP 纤维对抗折强度的影响规律不同，纤维掺入量一定时，短纤维数量多对抗折强度增加明显，说明PVA纤维与胶砂基质的相容性好，锚固力大，抗折强度明显大于PP纤维，说明纤维与胶砂基质的结合力也决定了最佳纤维的长度，长度太长并不能充分发挥作用，但纤维继续加长，抗折强度又会增加，分析认为主要是纤维之间的搭接综合效应开始起作用的缘故.

纤维掺量对抗压强度的影响：抗压强度的规律非常明显，掺加6 mmPVA纤维与12 mmPVA纤维的胶砂试块抗压强度随着纤维掺量增加先增加后减小，掺加0.2%的6 mmPVA纤维与掺加0.1%的12 mmPVA纤维抗压强度均在40.6 MPa左右，说明此时纤维长度和数量的综合加固效应比较接近. 针对掺加18 mmPVA纤维的胶砂试样，其抗压强度随着纤维掺量明显降低，但在各个掺量中抗压强度相对最高，在0.05%掺量时抗压强度最高为47.3 MPa. 分析认为，由于PVA纤维与胶砂基质的结合效果好，长纤维的相互搭接效果起重要作用，使得断面上的阻裂效果最好，抗压强度相对最好.

纤维掺量对折压比的影响：针对12 mmPVA 和18 mmPVA纤维胶砂试样，随着纤维体积掺量增加，折压比先减小后增大；针对6 mmPVA纤维胶砂试样，折压比先增大后减小，掺量0.1%时，折压比最高为0.241，掺量0.4%时折压比最低至0.166（如图15所示）.

总体显示，12 mmPVA纤维的胶砂试样折压比随掺量的变化不大，18 mmPVA 纤维的折压比最小，主要是抗压强度大导致的.

图15 PVA纤维胶砂折压比Fig.15 The folding ratios of added with PVA fibres

3.3 UPE纤维对胶砂混凝土的加筋效果分析

图16、图17 显示了掺加UPE 纤维的含量和长度对水泥胶砂试件的抗折、抗压强度的影响规律.

图16 UPE纤维胶砂抗折强度Fig.16 Flexural strengths of added with UPE fibres

图17 UPE纤维胶砂抗压强度Fig.17 Compression strengths of added with UPE fibres

纤维掺量对抗折强度的影响：UPE纤维的胶砂试样抗折强度也相对较高，但规律与PP、PVA纤维不同；针对掺入6 mmUPE纤维的胶砂试样，抗折强度随着纤维掺量增加先增加后减小，0.1%和0.2%抗折强度稳定在8.7 MPa，在0.4%时强度减小到6.8 MPa. 针对掺入12 mmUPE纤维的胶砂试样，抗折强度随着纤维掺量增加先增加后减小，在0.1%掺量时强度最高为8.4 MPa，0.4%掺量时强度最低为6.8 MPa. 针对掺入18 mmUPE纤维的胶砂试样，抗折强度随着纤维掺量增加先减小后增大，在0.4%时抗折强度最大为8.4 MPa.

纤维掺量对抗压强度的影响：各个长度UPE纤维的胶砂试件抗压强度随UPE 纤维含量的变化规律大致相同，均在0.2%时抗压强度最大，而0.4%时抗压强度最小，说明从控制抗压强度角度考虑，UPE纤维掺量不能太大.

纤维掺量对折压比的影响：针对掺入6 mm和12 mm的UPE纤维胶砂试样，折压比先增大后减小，折压比最高均在0.1%；掺入18 mmUPE纤维的胶砂试样，折压比先减小后增大，在0.4%掺量时最高，为0.23（如图18所示）.

图18 UPE纤维胶砂折压比Fig.18 The folding ratios of added with UPE fibres

总体上显示，掺入6 mmUPE纤维的折压比相对较高，主要原因是此时的抗折强度相对较高，但抗压强度却较低，说明UPE纤维与胶砂材料的黏结强度较高.

4 结论

纤维掺入量、纤维长度、纤维与胶砂基质的结合力等都会影响纤维的加强效果，实际应用应根据实际情况进行试验确定最佳纤维掺量等参数. 通过研究不同纤维不同体积掺入量的胶砂强度变化规律，得出以下结论：

1）低纤维掺量时，总体上随着纤维掺量增加，水泥胶砂试块折断后的主裂纹扩展长度和裂纹宽度逐渐减小，其中单掺UPE纤维的水泥胶砂试块弯折失效后主裂纹长度与宽度最短.

2）分析0.1%体积含量的6 mm短纤维胶砂混凝土抗折强度试验结果，UPE纤维略高于PVA纤维，比PP纤维提高约14%，说明UPE纤维和PVA纤维与胶砂基质的黏结力基本相似，比PP纤维高很多.

3）当掺入纤维体积含量小于0.2%时，UPE纤维在不同长度下抗压强度的增加比较均匀，而PVA纤维和PP纤维受长度的影响比较明显，其中PP纤维抗压强度改善效果较差.

4）分析纤维对胶砂的抗压强度、抗折强度增强效果，掺入0.1%体积含量的12 mmUPE 纤维综合效果最好，此时抗折强度达8.5 MPa，折压比接近0.19.